《精馏单元》PPT课件.ppt

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1、严格法多塔精馏,第三章 精馏单元,简捷法精馏设计,简捷法多塔蒸馏,严格法精馏,简捷法精馏核算,基于流率的蒸馏,液叶萃取塔,主要学习分离模块,DSTWU简捷法精馏设计RadFrac精密分离模块RadFrac精密分离模块计算结果查询RadFrac精密分离模块应用举例1RadFrac精密分离模块应用举例2,第一节 DSTWU 简捷法精馏,DSTWU 模型可针对一个带有分凝器或全凝器一股进料和两种产品的精馏塔，采用Winn-Underwood-Gilliland方法进行捷算法蒸馏设计计算，其目的是确定最小回流比、最小级数或实际回流比、实际级数。,3、压力(Pressure)（1）冷凝器（Condens

2、er)（2）再沸器（Reboiler),4、冷凝器设定(Condenser specifications)（1）全凝器（Total condenser)（2）带汽相馏出物的部分冷凝器（Partial condenser with vapor distillate)（3）带汽、液相馏出物的部分冷凝器（Partial condenser with vapor and liquid distillate),2、关键组分回收率(Key component recoveries)（1）轻关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分，（2）重关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的重关键

3、组分/进料中的重关键组分,DSTWU 模型参数,DSTWU模型有四组模型设定参数：,1、塔设定(Column specifications)（1）实际塔板数（Number of stages)，若输入塔板数，则为操作型计算。（2）回流比（Reflux ratio)，若输入此值，则为设计型问题。直接输入数值，表示实际回流比；输入负的数值，表示回流比与最小回流比的比值。,1、生成回流比理论板数关系表(Reflux ratio vs.Number of theoretical stages)2、计算等板高度(Calculate HETP)（针对填料塔计算）,DSTWU 计算选项,DSTWU模型有两个

4、计算选项：,含乙苯（ethylbenzene）30%w、苯乙烯（styrene）70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.025MPa、T=30 C）用精馏塔（塔顶压0.02MPa、塔底压0.03MPa）分离，要求99.8%的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，采用全凝器。求：Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin 时的R、NT和NF。,DSTWU 应用示例(1),塔计算结果,Minimum reflux ratio（最小回流比）Actual reflux ratio（实际回流比）Minimum number of stages（最小塔板数）Number of actua

5、l stages（实际塔板数）Feed stage（进料位置）Number of actual stages above feed（进料位置以上实际塔板数）Reboiler heating required（加热器热负荷）Condenser cooling required（冷凝器热负荷）Distillate temperature（馏出物温度）Bottom temperature（塔釜温度）Distillate to feed fraction（馏出物占进料物料分率）,物料计算结果,绘制示例（1）的NTR关系图，根据该图选取合理的R值，求取相应的 NT、NF、冷凝器和再沸器的温度和热负荷。,

6、DSTWU 应用示例(2),生成实际回流比理论板数关系表(Reflux ratio vs.Number of theoretical stages)，前面计算最小理论塔板数25.28,查询计算结果：回流比与理论塔板数的关系表,创建NTR关系图,首先如图选择回流比列将其设为x轴依次将理论塔板数设为y轴Display plot然后显示曲线,作业,第二节 RadFrac精密分离,RadFrac 模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。RadFrac 模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。,RadFrac 连接,RadFrac

7、模型的连接图如下：,RadFrac模型设定,RadFrac 模型具有以下设定表：1、配置（Configuration）2、流股（Streams）3、压力（Pressure）4、冷凝器（Condenser）5、再沸器（Reboiler）6、三相（3-Phase）,RadFrac 配置,1、塔板数（Number of Stages）2、冷凝器（Condenser）3、再沸器（Reboiler）4、有效相态（Valid Phase）5、收敛方法（Convergence)6、操作设定（Operation Specifications),RadFrac 配置（冷凝器）,冷凝器配置从四个选项中选择一种：1

8、、全凝器（Total）2、部分冷凝-汽相馏出物（Partial-Vapor）3、部分冷凝-汽相和液相馏出物（Partial-Vapor-Liquid）4、无冷凝器(None),RadFrac 配置（再沸器）,再沸器配置从三个选项中选择一种：1、釜式再沸器（Kettle）2、热虹吸式再沸器（Thermosyphon）3、无再沸器(None),RadFrac 配置（有效相态）,有效相态从四个选项中选择一种：1、汽-液（Vapor-Liquid）2、汽-液-液（Vapor-Liquid-Liquid）3、汽-液-再沸器游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor）4、汽-液

9、-任意塔板游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）,RadFrac 配置（收敛方法）,收敛方法从六个选项中选择一种：1、标准方法（Standard）2、石油/宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling）3、强非理想液相（Strongly Non-ideal Liquid）4、共沸体系（Azeotropic）5、深度冷冻体系（Cryogenic）6、用户定义（Custom）,RadFrac 配置（操作设定）,1、回流比（Reflux Ratio）2、回流速率（Reflux Rate）3、馏出物速率（Distillate Rate)4、塔底物速率（Botto

10、ms Rate)5、上升蒸汽速率（Boilup Rate),操作设定从十个选项中选择：,6、上升蒸汽比（Boilup Ratio)7、上升蒸汽/进料比（Boilup to Feed Ratio)8、馏出物/进料比（Distillate to Feed Ratio)9、冷凝器热负荷（Condenser Duty)10、再沸器热负荷（Reboiler Duty),1、进料流股（Feed Streams）指定每一股进料的加料板位置。2、产品流股（Product Streams）指定每一股侧线产品的出料板位置及产量。,1、塔顶/塔底（Top/Bottom）指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。2、压力剖型

11、（Pressure Profile）指定每一块塔板压力。3、塔段压降（Section Pressure Drop）指定每一塔段的压降。,RadFrac 冷凝器,冷凝器设定有两组参数：,1、冷凝器指标（Condenser Specification）仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度（Temperature）和蒸汽分率（Vapor Fraction）两个参数之一。,2、过冷态（Subcooling）1）过冷选项（Subcooling option）二选一：回流物和馏出物都过冷/仅仅回流物过冷。2）过冷指标（Subcooling specification）二选一：过冷物温度/过冷度,RadF

12、rac 再沸器,热虹吸再沸器需要进行设定：,1、指定再沸器流量（Specify reboiler flow rate）2、指定再沸器出口条件（Specify reboiler outlet condition）3、同时指定流量和出口条件（Specify both flow and outlet condition）,计算结果从三部分查看：1、结果汇总（Results summary）2、分布剖形（Profiles）3、流股结果（Stream results）,RadFrac 结果查看,结果汇总给出塔顶（冷凝器）和塔底（再沸器）的温度、热负荷、流量、回流比和上升蒸汽比等参数，以及每一组份在各出塔

13、物流中的分配比率。,分布剖形给出塔内各塔板上的温度、压力、热负荷、相平衡参数，以及每一相态的流量、组成和物性。据此可确定最佳加料板和侧线出料板位置。,流股结果给出进出的所有流股的工艺和物性参数。,RadFrac 应用示例(1),通过精馏塔来分离甲醇和水的混合物。进料组成为水63.2（质量分数），甲醇36.8（质量分数），流率为12000 1b/hr，压力为19psi（1psi=6894.76Pa），饱和液体进料（进料的气相分率为0），精馏塔有38块塔板，进料在第23块板上（注意，根据Aspen Plus的定义，冷凝器为1板，所以进料板应该是第24块）。塔顶压力为16.1psi，每板的压力降为0

14、.1psi，塔顶为全凝器，蒸出流率为39885 1b/hr，回流比为1.3。选用NRTL-RK物性方法。确定再沸器和冷凝器的热负荷,默认二元交互作用参数,RadFrac 应用示例(2),通过精馏塔来分离甲醇和水的混合物。进料组成为水63.2（质量分数），甲醇36.8（质量分数），流率为12000 1b/hr，压力为19psi（1psi=6894.76Pa），饱和液体进料（进料的气相分率为0），精馏塔有38块塔板，进料在第23块板上（注意，根据Aspen Plus的定义，冷凝器为1板，所以进料板应该是第24块）。塔顶压力为16.1psi，每板的压力降为0.1psi，塔顶为全凝器，蒸出流率为398

15、85 1b/hr，回流比为1.3。选用NRTL-RK物性方法。做出气相、液相中水和甲醇的组成曲线,做出气相、液相中水和甲醇的组成曲线,首先采用数据浏览器查看模型计算结果,做出气相、液相中水和甲醇的组成曲线,然后如下进行：,做出气相、液相中水和甲醇的组成曲线,RadFrac 应用示例(3),设计规定：design spec(design specification),Type 指定限定条件（该例为质量分数）Target指定限定条件（该例质量分数为0.9995）Stream type物流类型,按取消按钮：继续前面的操作,按取消按钮，继续做,RadFrac 设计指标,RadFrac 模型带有内部的设

16、计指标功能，通过Design Specs和Vary两组参数进行设定。可以设定多个指标参数和多个变化参数，但要注意两者间的依赖关系和自由度必须吻合，否则不能收敛。,RadFrac 应用示例(2),如将示例（1）的塔压调到0.01 MPa，全塔压降0.005 MPa，试求满足分离要求所需的回流比和馏出物流量。,RadFrac 塔板效率,RadFrac模型可以设定实际塔板的板效率(Efficiencies)。用户可选用蒸发效率(Vaporization Efficiencies)或墨弗里效率(Murphree Efficiencies)，并选择指定单块板的效率，单个组分的效率，或者塔段的效率。,Ra

17、dFrac 应用示例(3),如果示例（2）中的精馏段的墨弗里效率为0.45，提馏段的墨弗里效率为0.55，试求满足分离要求所需的塔板数和加料板位置。,RadFrac 报告选项,报告（Report）中有一项对塔板设计非常重要，即性质选项（Property options）里的包括水力学参数（Include hydraulic parameters）选项。另外剖形选项（Profile options）里包括哪些塔板（Stages to be included in report）也很有用。,RadFrac 应用示例(4),在示例（3）的基础上选定性质选项中的包括水力学参数，计算后查看结果。,Rad

18、Frac 塔板设计,塔板设计（Tray sizing）计算给定板间距下的塔径，共有五种塔板供选用：1、泡罩塔板（Bubble Cap）2、筛板（Sieve）3、浮阀塔板（Glistch Ballast）4、弹性浮阀塔板（Koch Flexitray）5、条形浮阀塔板（Nutter Float Valve),RadFrac 塔板核算,塔板核算（Tray rating）计算给定结构参数的塔板的负荷情况，可供选用的塔板类型与“塔板设计”中相同。“塔板设计”与“塔板核算”配合使用，可以完成塔板选型和工艺参数设计。,RadFrac 应用示例(5),在示例（4）的基础上进行塔板设计和塔板核算，分别选用浮阀

19、塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果。,RadFrac 填料设计,填料设计（Pack sizing）计算选用某种填料时的塔径，共有40种填料供选用，在此仅介绍 5 种典型的散堆填料和 5 种典型的规整填料：,5 种典型的散堆填料：1、拉西环（RASCHIG）2、鲍尔环（PALL）3、阶梯环（CMR）4、矩鞍环（INTX）5、超级环（SUPER RING）,5 种典型的规整填料：1、带孔板波填料（MELLAPAK）2、带孔网波填料（CY）3、带缝板波填料（RALU-PAK）4、陶瓷板波填料（KERAPAK）5、格栅规整填料（FLEXIGRID）,RadFrac 填料核算,填料核算（Pack rati

20、ng）计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与“填料设计”中相同。“填料设计”与“填料核算”配合使用，可以完成填料选型和工艺参数设计。,RadFrac 应用示例(6),在示例（2）的基础上进行填料设计和填料核算，分别选用MELLPAK和RALU-PAK计算后对比结果。,RadFrac 吸收计算,吸收计算的设备参数设置：1）冷凝器和再沸器类型选“None”；2）气体进料板设置为“N+1”；3）在收敛（Convergence）项目中将“Basic”表里的“algorithm”设置为“Standard”及“maximum iterations”设置为200，将“Advance”表里的第

21、一栏“Absorber”设置为“yes”。,摩尔组成为CO2(12%)、N2(23%)和H2(65%)的混合气体（F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20 C）用甲醇（F=60 t/hr、P=2.9MPa、T=-40 C）吸收脱除CO2。吸收塔有30块理论板，在2.8 MPa 下操作。求出塔气体中的CO2浓度。,RadFrac 吸收示例(1),在吸收示例（1）的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量。,RadFrac 吸收示例(2),在吸收示例（2）的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量与理论板数的关系。,RadFrac 吸收示例(3),选用10块理论板，求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量以及采用典型塔板和填料时的塔径。,RadFrac 吸收示例(4),RadFrac 脱吸计算,脱吸计算与吸收计算的设备参数设置相同，只是物料初始组成不同。,将吸收示例（4）所得到的吸收富液减压到0.15 MPa进行闪蒸，低压液体再进入脱吸塔在0.12 MPa下用氮气进行气提脱吸，要求出塔贫液中的CO2浓度达到0.1%。求合理的理论板数、所需氮气流量、采用不同塔板和填料时的脱吸塔尺寸、压降和负荷情况。,RadFrac 脱吸示例,